48V 降压转换器帮助 MHEV 满足燃料排放标准

作者：Chintan Parikh、George Chen 和 Nazzareno Rossetti，Maxim Integrated

您的汽车可能已停产，而您正在市场上购买一辆新车。您是否正在考虑另一种汽油发动机汽车、纯电动汽车 (EV) 或介于两者之间的东西？有如此多的混合动力车型可供选择，例如全混合动力电动汽车 (FHEV)、插电式混合动力电动汽车 (PHEV) 或轻度混合动力电动汽车 (MHEV)，因此有多种选择可供选择。感觉有点像点你最喜欢的拿铁口味，不是吗？

汽车发动机的轨迹从汽油发动机开始，到电动机结束。这种戏剧性转变背后的力量是满足越来越严格的燃料排放法规的必要性。目前，汽油发动机使用电动机来帮助启动停止和再生制动应用，但它的使用最终会消失。我们预计汽车将在 20 年后实现全电动化。 预计 2040 年左右将全面禁止使用汽油车。伴随这一转变的有力候选者是 48-V MHEV，它可以帮助旧汽油发动机以适中的成本满足排放标准（图 1）。

在此设计解决方案中，我们将审查 MHEV 的架构并提出一种降压转换器，该转换器可与 48V 电池一起工作，同时能够承受高输入电压抛负载瞬变，并以低 EMI、低占空比和高效率运行。

48-V 辅助系统MHEV 皮带起动发电机 (BSG) 通过将传统汽车的交流发电机和起动电机替换为一个辅助动力总成的装置来提供更高的效率（图 2）。

在制动过程中，能量从内燃机流向 48 V 电池。发动机向 BSG 施加扭矩，作为响应，BSG 充当发电机。BSG 产生的电波形由三相逆变器通过 IGBT 或 MOSFET 本征二极管进行整流，产生为 48V 电池充电的直流电流。

在启停过程中，能量从 48V 电池流向充当电机的 BSG。在此阶段，BSG 通过三相逆变器功率晶体管从 48V 电池获取电力。DC/DC 转换器将 48 V 降压至 16 V，为三相逆变器栅极驱动器供电，为 BSG 提供适当的运动序列。

BSG 在启停期间启动发动机，提供扭矩提升以提高加速性能，并在制动期间为电池充电。48 V 电池还可以为风扇、泵、电动助力转向架和压缩机等配件供电，并有助于启动停止系统。48V 电池可以提供与 12V 电池相同的功率，电流只有四分之一，从而减少了汽车电线的损耗、尺寸和重量。

图 2：48V MHEV 系统

48-V 电池我们以 1-kWh、48-V、21-Ah 锂离子 MHEV 电池为例。根据“VDA 320 - 机动车辆中的电气和电子元件 48-V 车载电源”建议，电池具有 36 V 和 52 V 之间的无限电压工作范围，并允许 20 V 和 60 V 之间的有限工作模式和高达 70 V 的动态过电压。最大工作电压 (60 V) 是对人类操作员安全的最大允许接触电压，因此系统不被归类为具有电击风险的“高压”。

48V 降压转换器的稳健性如上所述，48V 降压转换器可能会受到高达 70V 的电压尖峰和长达 40ms 的影响，这是一个很长的电应力时间。在此限制或以上操作可能会永久损坏设备。因此，降压转换器输入电压的绝对最大额定值必须在 70 V 以上有足够的余量才能安全运行。

低 EMIECU 的电源管理电子设备必须能够承受恶劣的汽车环境并受到电磁干扰 (EMI) 的保护。因此，48V 降压转换器必须满足 CISPR25 5 类 EMI 规范。在辐射和传导发射测试期间，固定频率转换器有助于解决尖峰问题。固定和可调频率允许设计工程师将滤波集中在某个频率上，以帮助通过 EMI 测试。相比之下，恒定导通时间架构通常表现出可变频率，这使得获得良好的 EMI 性能变得更加困难。

前端 48-V 降压转换器汽车有数十个电子控制单元 (ECU)。典型 ECU 的电源管理架构如图3 所示。48-V 接口是一个强大的前端降压转换器，可承受电池的静态和动态电压条件，反过来，有助于为各种栅极驱动器供电，用于具有 16-20 V输出 的电机控制，同时还为 MCU 提供备用电源，以防万一12V 电池断开。

图 3：ECU 功率分配

与 12V 输入相比，48V 降压转换器往往具有更高的开关损耗

这个问题可以通过降低工作频率 (f) 和采用具有更小最小特征和更低寄生电容 (C) 的先进工艺来缓解。此外，控制技术必须很好地适应低占空比的操作。例如，一个 16 V 输出和一个 48 V 输入导致

这意味着降压转换器的高端晶体管仅在 33% 的时间内导通，而低端晶体管的导通时间为 67%。这些考虑可以指导功率晶体管的尺寸以获得最佳性能。

集成解决方案MAX20059是一款高效、高压、同步降压DC/DC 转换器IC，集成MOSFET，工作在4.5-V 至72-V 输入电压范围。凭借 80V 的绝对最大额定值，该 IC 具有 8V 与 72V 工作条件的裕度以及 10V 与 70V 电池动态过压推荐值。

IC 根据 VDA320 建议进行了全面测试。例如，图 4 显示了在超过 VDA320 建议的条件下进行的一项测试，即瞬态过电压测试：

V IN = 14 V 至 72 V

V输出= 12 V

0-A 负载 400 kHz，PWM

图 4：瞬态过电压测试

该 IC 还根据 EMI CISPR25 5 类规范进行了电磁辐射测试。例如，图 5显示了使用 200-MHz 至 1-GHz 对数周期（水平）天线执行的众多 EMI 测试之一。IC 排放水平远低于限值。

图 5：满足 EMI CISPR25 Class 5 规范

该转换器可提供高达 1A 的电流。输出电压在 0.8 V 至 90% V IN范围内可编程。–40°C 至 125°C 范围内的反馈电压调节精度为 ±1.5%。该 IC 采用峰值电流模式控制架构，可在脉宽调制 (PWM) 或脉冲频率调制 (PFM) 控制方案中运行。该 IC 采用 12 引脚 (3 × 3 mm) 侧面可湿性 TDFN 封装，带有用于散热的裸露焊盘。图 6 显示了 48V 至 16V 的典型应用电路。

图 6：具有 400kHz 开关频率的 48V IN至 16V OUT降压转换器

高效率为了获得最大的灵活性，IC 有两种操作模式。PFM 在整个工作范围内提供高效率，但与 PWM 相比，输出电压纹波更高。PWM 操作（图 7）在所有负载下提供恒定频率操作，适用于对开关频率敏感的应用。因此，轻负载时开关损耗较高，MAX20059 在 48 V IN至 16 V OUT范围内可实现 >90% 的峰值效率。

图 7：400 kHz 时的 48V IN至 16V OUT降压转换器效率

结论汽车环境正在经历一场史诗般的转变。由于燃料排放标准的日益严格，汽油发动机处于下降的抛物线，最终将以全电动汽车告终。同时，48V MHEV 等混合应用正在激增。我们强调了设计在恶劣的 48V 汽车环境中运行的稳压器所面临的挑战，并展示了一种高压前端降压转换器，该转换器对输入电压静态和动态变化具有高容限、低 EMI 和高效率。

词汇表

FHEV：全混合动力电动汽车具有容量有限的辅助 200-V 或 400-V 电池。

PHEV：插电式混合动力电动汽车具有更高容量的辅助 200-V 或 400-V 电池，可通过电网充电。

MHEV：轻度混合动力电动汽车具有辅助 48V 电池。

作者简介Chintan Parikh 是 Maxim Integrated 的业务管理总监，专注于汽车电源管理解决方案。Chintan 拥有圣克拉拉大学工程管理硕士学位。

George Chen 是 Maxim Integrated 的业务经理，专注于汽车电源管理解决方案。George 拥有亚利桑那州立大学的电气工程硕士学位。

Nazzareno (Reno) Rossetti 是 Maxim Integrated 的模拟和电源管理专家。他是一位出版作家，并拥有该领域的多项专利。Reno 拥有意大利都灵理工大学的电气工程博士学位。

审核编辑 黄昊宇